DE19903824A1 - System zur Überwachung eines elektrostatischen Zerstäubers - Google Patents

Abstract

Ein System dient zur Überwachung eines elektrostatischen Zerstäubers, insbesondere eines Hochleistungszerstäubers, in einer Lackieranlage. Das System weist dabei wenigstens eine Datenverarbeitungseinheit auf. Durch Strom- und Spannungssensoren werden die elektrischen Kenngrößen des elektrostatischen Zerstäubers fortlaufend von der Datenverarbeitungseinheit erfaßt. Bei Über- bzw. Unterschreitung von vorgegebenen Grenzwerten eines Spannung-Strom-Verhältnisses wird ein elektrisches Signal aktiviert .

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung ei­ nes elektrostatischen Zerstäubers nach der im Oberbe­ griff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Allgemein bekannt ist es, in Fertigungsprozessen die Qualität anhand von Stichproben und speziell ausgelö­ sten Messungen zu bewerten. Der Nachteil bei dieser allgemein üblichen Vorgehensweise liegt dabei im zeit­ lich erst nach der Fertigung erfolgenden Diagnosepro­ zeß. Dies bedeutet nämlich, daß eine Fehlfunktion und/oder ein Defekt der Fertigungsanlage erst durch das Auftreten eines oder mehrerer bereits fehlerhaft gefertigter Bauteile erkannt werden kann.

Insbesondere bei Lackieranlagen für Fahrzeugkarosseri­ en ist der Aufwand, fehlerhaft lackierte Karosserien nachzuarbeiten, erheblich. Außerdem ist in diesem Fall auch die Menge Aufwand des eingesetzten Arbeitsmedi­ ums, hier des Lacks, besonders hoch. Ein weiterer Nachteil ist hierbei auch in der Umweltbelastung durch den unnötig hohen Lackverbrauch zu sehen.

Einer der in Lackieranlagen am häufigsten auftretenden Fehler wird dabei durch eine Fehlfunktion an einem Lackzerstäuber, meistens einem elektrostatischen Hochleistungszerstäuber, ausgelöst. Die Fehlfunktio­ nen, welche sich durch unzureichend ebene Lackoberflä­ chen (Läufer, Tropfenbildung, rauhe Stellen) beim fer­ tig lackierten Bauteil bemerkbar machen, sind dabei fast immer auf Verschmutzungen an dem Zerstäuber zu­ rückzuführen. Die Verschmutzungen könnten zwar relativ leicht beseitigt werden, in einer automatisierten Fer­ tigung werden sie jedoch nur in Ausnahmefällen er­ kannt, da das Bedienpersonal der Anlage keinen direk­ ten Kontakt mit den Zerstäubern hat.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, bei dem während der Lackierung Zeichen für möglicherweise drohende Qualitätseinbußen durch Verschmutzungen und/oder Defekte an den elektro­ statischen Zerstäubern festzustellen sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Da bei den elektrostatischen Hochleistungszerstäubern durch neben dem eigentlichen Zerstäuber angeordnete Elektroden die Lacktröpfchen ein entsprechend hohes Spannungspotential gegenüber dem geerdeten, zu lackie­ renden Bauteil, hier insbesondere einer Fahrzeugkaros­ serie, und dem ebenfalls geerdeten Zerstäuber haben, ergibt sich bei einer solchen Anlage ein Stromfluß, in Form einer Gasentladung, von den Elektroden zu dem Bauteil einerseits und von den Elektroden zu dem Zer­ stäuber andererseits. Dieser Stromfluß und die Poten­ tialdifferenz können gemessen werden. Bei arbeitendem Zerstäuber, d. h. bei stattfindender Lackierung, kann man nun davon ausgehen, daß die äußeren Bedingungen wie Luftfeuchte, Lufttemperatur, Luftsinkgeschwindig­ keit, Lackeigenschaften, Lackmenge und Luftmenge sich praktisch nicht ändern. Deshalb müßten die elektri­ schen Kenngrößen des Zerstäubers wenigstens annähernd konstant bleiben.

Durch eine Überwachung der elektrischen Kenngrößen am Zerstäuber, wobei hier in besonders vorteilhafter Wei­ se das Spannung-Stromverhältnis überwacht wird, wird eine sehr einfache und effektive Überwachung der ge­ samten Zerstäubereinheit ermöglicht.

Ändert sich nämlich das gemessene Spannung- Stromverhältnis während eines Lackiervorgangs, so kann daraus auf einen Fehler, insbesondere auf eine zuneh­ mende Verschmutzung des Zerstäubers, geschlossen wer­ den.

Durch die Verschmutzung des vorderen, rotierenden, die eigentliche Zerstäubung realisierenden Bereichs, des sogenannten Glockentellers, setzt sich eine zunehmend dicker werdende Lackschicht auf diesem Glockenteller ab und behindert so den Stromfluß von der Elektrode zu dem geerdeten Zerstäuber. Dadurch wird auch der Strom­ fluß von der Elektrode zur Fahrzeugkarosserie beein­ flußt, das heißt der Widerstand der Gasentladungen ändert sich. Mißt man nun den Gesamtwiderstand dieser beiden Spannungs-Stromverhältnisse, kann man aus einer Widerstandsänderung auf eine beginnende Verschmutzung und eine drohende Fehlfunktion des Zerstäubers schlie­ ßen.

Nun kann ein Warnsignal aktiviert werden und der Zer­ stäuber kann eine Reinigung, z. B. durch das Bedienper­ sonal der Anlage, erfahren, bevor sich die Verschmut­ zung in der Qualität der lackierten Bauteile nieder­ schlägt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfol­ gend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen prinzipmäßig dargestellten elektrostati­ schen Hochleistungszerstäuber;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Glockenteller des elektrostatischen Hochleistungszerstäubers ge­ mäß der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 den schematischen Aufbau des elektrostatischen Hochleistungszerstäubers und dessen Funkti­ onsprinzip; und

Fig. 4 einen Ersatzschaltplan des elektrischen Funk­ tionsprinzips des elektrostatischen Hochlei­ stungszerstäubers.

Fig. 1 zeigt einen elektrostatischen Hochleistungszer­ stäuber 1, welcher sich prinzipmäßig aus einem Grund­ körper 2 und einer Glocke 3 zusammensetzt. An dem Grundkörper 2 die elektrischen Anschlußelemente 4 und mehrere Hochspannungskerzen 5 bzw. Elektroden 5 zu erkennen. Üblicherweise werden sechs bis acht Elektro­ den 5 kreisförmig um die Glocke 3 angeordnet. Im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel sind davon nur drei Elektroden 5 erkennbar.

An der von dem Grundkörper 2 abgewandten Seite der Glocke 3 weist diese einen Glockenteller 6 auf. Dieser Glockenteller 6 oder zumindest ein Bereich dieses Glockentellers 6 führt eine schnelle rotatorische Be­ wegung aus und übernimmt die Zuführung des Lacks in einen Luftstrom, durch welchen dann die eigentliche Zerstäubung des zu zerstäubenden Lacks erfolgt. Lack und Druckluft werden dabei in der Glocke 3 durch ge­ trennte Zuleitungselementen (nicht dargestellt) zuge­ führt.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Glockenteller 6 dargestellt. Wie beschrieben strömen Druckluft und Lack zu dem Glockenteller 6. Dabei gelangt der Lack durch einen Lackzulauf 7, welcher mit einem Ventil (nicht dargestellt) versehen ist auf einen rotierenden Förderteller 8.

Durch die schnelle Rotationsbewegung des Fördertellers 8 fließt der Lack auf dem Förderteller 8 radial nach außen und gelangt entlang der Unterseite eines über dem Förderteller 8 angeordneten Trennelements 9 zu dessen äußerem Umfang 10. Auf der Oberseite des Tren­ nelements 9 bewegt sich ein Druckluftstrom, welcher im Bereich des Umfangs 10 die Lackpartikel als Lacktröpf­ chen 11 mitreißt und damit den Lack zerstäubt.

Dieses Gemisch aus Luft und Lacktröpfchen 11 gelangt dann auf ein zu lackierendes Bauteil 12 bzw. die zu lackierende Fahrzeugkarosserie 12, wie dies in Fig. 3 zu erkennen ist. Dabei bewegt sich das Gemisch aus Luft und Lacktröpfchen 11 an den Elektroden 5 vorbei, wobei die Lacktröpfchen 11 ein elektrostatisches Feld 13 durchfliegen und aufgeladen werden. Die aufgelade­ nen Lacktröpfchen 11 setzen sich dann bevorzugt auf der geerdeten Fahrzeugkarosserie 12 ab. Durch die elektrische Anziehung zwischen Lacktröpfchen 11 und Fahrzeugkarosserie 12 gelangen die Lacktröpfchen 11 dabei auch an Bereiche der Fahrzeugkarosserie 12, die sie bei einem normalen Lackspritzverfahren nicht er­ reichen würden, wie z. B. Hinterschneidungen. Dies be­ ruht darauf, daß Lacktröpfchen 11 die durch die sie zerstäubende Druckluft an der Fahrzeugkarosserie 12 vorbeigeschleudert werden durch die elektrische Anzie­ hung zwischen Lacktröpfchen 11 und Fahrzeugkarosserie 12 abgebremst und zur Fahrzeugkarosserie 12 zurückbe­ wegt werden.

Weiterhin ist in Fig. 3 prinzipmäßig dargestellt, daß der elektrostatische Hochleistungszerstäuber 1 selbst ebenfalls geerdet ist. Dies ist notwendig, um eine Aufladung des zu zerstäubenden Lacks am Glockenteller 6 und damit des kompletten Systems mit Lackvorrat­ stanks, Dosierpumpe und Lackförder- und Lackbevor­ ratungssystem (alle nicht dargestellt), auf die ent­ sprechende Potentialdifferenz zu vermeiden.

In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild für das schemati­ sche Funktionsprinzip des elektrostatischen Hochlei­ stungszerstäubers 1 zu dargestellt. Das Schaltbild zeigt eine Stromquelle, welche z. B. als geregelte Kon­ stantstromquelle ausgebildet sein kann, und eine inte­ grierte Sensorik 14 zur Erfassung des Stroms I bzw. der Stromstärke I aufweist.

Ein mit R_g bezeichneter elektrischer Widerstand faßt die Gasentladungswiderstände zwischen der Elektrode 5 und dem Glockenteller 6 sowie zwischen der Elektrode 5 und der Fahrzeugkarosserie 12 zusammen. Eine Spannung U_Re über dem Gesamtwiderstand R_e der Elektroden 5 wird von einer an sich bekannten Meßsensorik 15 zur wider­ standsmessung erfaßt. Die Spannung U_Re ist abhängig davon, ob lackiert wird oder nicht. Ausschlaggebend für diesen Zustand ist die Änderung des Widerstandes R_g, welcher über den konstanten und/oder gemessenen Strom I und Spannungswert U_Re von einer Datenverarbei­ tungseinheit (nicht dargestellt) leicht ermittelt wer­ den kann. Die Spannung U_Re wird während der Lackierung kleiner als bei der Nichtlackierung, da durch die von den zerstäubten Lack transportierten Ladungen ein Strom fließt von den Elektroden 5 zur Fahrzeugkarosse­ rie 12 bzw. zum Zerstäuber 1 fließt. Die Änderung der Spannung U_Re beträgt dabei etwa 20 kV. Mit beginnender Lackierung kommt es dann zu einem Einschwingen des Spannungswertes U_Re auf ca. 80 kV, wobei dieser wäh­ rend des Lackiervorgangs bei wenigstens annähernd kon­ stanten äußeren Prozeßparametern nahezu konstant bleibt.

Das absolute Spannungswertniveau U_Re ist dabei jedoch von folgenden Einflußparametern abhängig: Aufbau des Zerstäubers 1 (sechs oder acht Elektroden 5), Luft­ feuchte, Lufttemperatur, Luftsinkgeschwindigkeit, Lack­ eigenschaften, Lackmenge, Druckluftmenge, Glockentel­ lerdrehzahl und dem Bereich der Fahrzeugkarosserie 12, der mit Lack beschichtet wird (z. B. Schiebedach, Kot­ flügel, Radkasten).

Das heißt, die Überwachung des absoluten Spannungswer­ tes U_Re setzt konstante oder wenigstens annähernd kon­ stante Werte dieser oben genannten Einflußparameter voraus, da die Überwachung ansonsten stark verfälschte Werte liefern könnte. Wenn diese Konstanz der Einfluß­ parameter über den relativ kurzen Zeitraum jeder ein­ zelnen Lackierung einigermaßen gewährleistet ist, so läßt sich an einem Absinken des absoluten Spannungs­ werts U_Re eine Verschmutzung des Zerstäubers 1 erken­ nen. Hat der Zerstäuber 1 einen gewissen Verschmut­ zungsgrad erreicht, welcher sich durch das Absinken des absoluten Spannungswertes U_Re unter einen vorgege­ benen Grenzwert zeigt, so muß eine Reinigungspause eingelegt werden. Durch eine solche Reinigung des Zer­ stäubers 1 bzw. des Glockentellers 6 läßt sich die gleichbleibend hohe Qualität der Lackierung gewährlei­ sten.

Ein weiteres Anzeichen für eine drohende Qualitätsein­ buße bei der Lackierung auch liegt dann vor, wenn das Spannungssignal U_Re mit einem starken Rauschen behaf­ tet ist. Dies weist dann auf Störungen des elektrosta­ tischen Feldes hin, welche gegebenenfalls in einer Beschädigung einer oder mehrerer der Elektroden 5 zu suchen wären.

Die eigentliche Überwachung des Spannungswertes U_Re erfolgt durch die der Datenverarbeitungseinheit. Der Spannungswert U_Re wird dabei mittels einem für die entsprechenden Fahrzeugkarosserieteilbereiche automa­ tisch aufzustellenden Grenzwert überwacht. Zur Unter­ scheidung nach vorzugebenden Randbedingungen, also dem Karosserieteilbereich, dem Farbtyp und der Farbmenge, wird ein deterministisch endlicher Zustandsautomat genutzt, der als Eingangssignale ein diskreditiertes Fördersignal, eine Farbnummer und einen Drehzahlwert einer Dosierpumpe benutzt. Der Zustandsautomat wird mittels diesen Signalen automatisch generiert. An­ schließend wird jedem Zustand eine Diagnosefunktion zugeordnet, wobei die erforderlichen Grenzwerte dabei aus speziellen Trainingsdaten automatisch generiert werden.

Durch die Kombination aller ihr zur Verfügung stehen­ den Daten kann die Datenverarbeitungseinheit durch einfache logische Funktionen die einzelnen Umgebungs­ bedingungen, wie Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luft­ sinkgeschwindigkeit, Druckluftmenge und Glockendreh­ zahl gegeneinander verriegeln. Dabei wird ein die Ver­ schmutzung des Zerstäubers 1 andeutendes Signal bzw. ein Alarm, nur dann ausgelöst, wenn sich der absolute Spannungswert U_Re über den in Abhängigkeit der Randbe­ dingungen ermittelten Grenzwert bewegt, wobei die Um­ gebungsbedingungen annähernd konstant geblieben sind. Dadurch kann die Anzahl an Fehlalarmen, die auf sich verändernde Umgebungsbedingungen zurückzuführen sind, minimiert werden.

Aufgrund von Nässe bzw. Lösungsmittel auf dem Zerstäu­ ber, die durch eine Zerstäuberreinigung eingebracht wird, kann es zu Fehlermessungen bzw. Fehlinterpreta­ tionen der Messwerte kommen, da durch die Nässe unkon­ trollierbare Ströme in dem System fließen können. Um das System durch die von der Zerstäuberreinigung ver­ ursachten Fehler nicht unnötig zu belasten, wird je­ weils nach der Zerstäuberreinigung über eine voreinge­ stellte Zeitverzögerung ein gewisser Zeitraum nicht überwacht. Da dies jedoch unmittelbar nach einer Zer­ stäuberreinigung erfolgt, ist zu diesem Zeitpunkt oh­ nehin nicht mit verschmutzungsbedingten Qualitätspro­ blemen zu rechnen.

Claims (6)

1. System zur Überwachung eines elektrostatischen Zerstäubers, insbesondere eines Hochleistungszer­ stäubers, in einer Lackieranlage, mit wenigstens einer Datenverarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß durch Strom- und Spannungssensoren (14, 15) die elektrischen Kenngrößen des elektrostatischen Zer­ stäubers (1) fortlaufend von der Datenverarbei­ tungseinheit erfaßt werden, und daß bei Über- bzw. Unterschreitung von vorgegebenen Grenzwerten eines Spannung-Strom-Verhältnisses ein elektrisches Si­ gnal aktiviert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte des Spannung-Strom-Verhältnisses prozeßsynchron von der Datenverarbeitungseinheit ermittelt werden.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch weitere Sensoren Umgebungsbedingungen in der Lackieranlage erfaßt werden, wobei durch den Lackier­ prozeß vorgegebene Randbedingungen an die Da­ tenverarbeitungseinheit übermittelt werden.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungsbedingungen und die Randbedingungen die Ermittlung der Grenzwerte durch die Datenver­ arbeitungseinheit beeinflussen.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung im Falle einer Reinigung des Zer­ stäubers (1) für eine vorgegebene Zeit ausgesetzt wird.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachung von Frequenzspektren einer den elektrostatischen Zerstäuber (1) speisenden Hoch­ spannungsquelle erfolgt, wobei bei Überschreiten eines vorgegebenen Grundrauschens ein Signal akti­ viert wird.